JP4218838B2 - Power supply system, power supply apparatus, and electronic circuit driving method - Google Patents
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Description
本発明は、電力供給および冷却技術に関し、特に半導体集積回路を対象とした電力供給技術に関する。 The present invention relates to a power supply and cooling technique, and more particularly to a power supply technique for a semiconductor integrated circuit.
LSI設計において製造プロセスの微細化と素子の高集積化が一段と進み、チップの性能限界として発熱量を考慮することがLSIの設計上非常に重要になった。チップが高温になると、動作不良を起こしたり、長期信頼性が低下するため、様々な発熱対策がとられている。たとえば、チップの上部にヒートシンクを設けて、チップから発生する熱を逃がす方法がとられる。 In LSI design, the miniaturization of the manufacturing process and the high integration of elements have further progressed, and it has become very important for LSI design to consider the amount of heat generated as the performance limit of the chip. When the chip becomes hot, malfunctions occur and long-term reliability decreases, so various countermeasures against heat generation are taken. For example, a method is used in which a heat sink is provided on the top of the chip to release heat generated from the chip.
昨今のLSI、特に高性能のマイクロプロセッサでは、ヒートシンクでもとりきれない発熱が生じうるため、放熱効率の改善は永続的な課題である。
また、LSIにおいて、基板などと接続される端子の電流容量には限界があり、端子に流れる電流密度がLSIの信頼性に影響を及ぼすという問題が生じており、LSIに対する電力供給もまた、重要な技術的課題としてあげられる。
In recent LSIs, particularly high-performance microprocessors, heat generation that cannot be completely removed by a heat sink can occur, so improvement of heat dissipation efficiency is a permanent issue.
Further, in LSI, there is a limit to the current capacity of a terminal connected to a substrate or the like, and there is a problem that the current density flowing through the terminal affects the reliability of the LSI, and power supply to the LSI is also important. As a technical issue.
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体集積回路を効果的に冷却しつつ、同時に電力を供給することができる電力供給システムの提供にある。 The present invention has been made in view of these problems, and an object thereof is to provide a power supply system capable of simultaneously supplying power while effectively cooling a semiconductor integrated circuit.
本発明のある態様は電力供給システムに関する。この電力供給システムは、電子回路を冷却するための冷却媒体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、該電気エネルギーによって電子回路を駆動する。
冷却媒体として導電性流体を選択し、この導電性流体に磁界を印加することによって、ファラデーの電磁誘導の法則にもとづき導電性流体と磁界が相互作用して起電力が生じる。この起電力を利用することによって冷却対象となる電子回路を駆動することができる。
One embodiment of the present invention relates to a power supply system. This power supply system converts kinetic energy of a cooling medium for cooling an electronic circuit into electric energy, and drives the electronic circuit by the electric energy.
By selecting a conductive fluid as the cooling medium and applying a magnetic field to the conductive fluid, an electromotive force is generated by the interaction between the conductive fluid and the magnetic field based on Faraday's law of electromagnetic induction. By utilizing this electromotive force, the electronic circuit to be cooled can be driven.
本発明によれば、半導体集積回路を効果的に冷却しつつ、同時に電力供給することができる。 According to the present invention, it is possible to simultaneously supply power while effectively cooling a semiconductor integrated circuit.
実施の形態の詳細について説明する前に、その概要を述べる。 Before describing the details of the embodiment, an outline thereof will be described.
本発明のある態様は電力供給システムに関する。この電力供給システムは、流路が穿設された基体と、基体に穿設された流路に導電性流体を流通せしめるポンプと、導電性流体の流通方向に対して垂直に磁界を印加する磁石と、磁界の印加方向と平行な対向する2面に、流路を挟むように設けられた陽極と陰極と、を備え、駆動対象の半導体集積回路を、陽極と陰極間に発生する起電力によって駆動する。 One embodiment of the present invention relates to a power supply system. This power supply system includes: a base body having a flow path perforated; a pump that allows a conductive fluid to flow through the flow path formed in the base; and a magnet that applies a magnetic field perpendicular to the flow direction of the conductive fluid. And an anode and a cathode provided so as to sandwich the flow path on two opposing surfaces parallel to the direction of application of the magnetic field, and the semiconductor integrated circuit to be driven is driven by an electromotive force generated between the anode and the cathode To drive.
この態様によれば、基体内部の流路において、導電性流体と磁界が相互作用し、ファラデーの電磁誘導の法則にもとづき陰極と陽極間には起電力が発生し、この起電力によって半導体集積回路を駆動することができる。 According to this aspect, the conductive fluid and the magnetic field interact in the flow path inside the substrate, and an electromotive force is generated between the cathode and the anode based on Faraday's law of electromagnetic induction. Can be driven.
基体は半導体集積回路と密着して固定され、流路は半導体集積回路の発熱箇所に近接する領域に穿設されており、導電性流体を冷却する冷却装置をさらに備えてもよい。
基体と半導体集積回路を密着させることによって、半導体集積回路に生じた熱を流路を流れる導電性流体によって除去することができ、導電性流体を冷却装置によって冷却することによって冷却と電力供給を同時に行うことができる。
The substrate may be fixed in close contact with the semiconductor integrated circuit, the flow path may be perforated in a region close to the heat generating portion of the semiconductor integrated circuit, and may further include a cooling device for cooling the conductive fluid.
By bringing the substrate and the semiconductor integrated circuit into close contact with each other, heat generated in the semiconductor integrated circuit can be removed by the conductive fluid flowing through the flow path, and cooling and power supply can be performed simultaneously by cooling the conductive fluid with a cooling device. It can be carried out.
流路は、マイクロチャネル構造を有し、磁界の印加方向に隣接して複数穿設されてもよい。
流路をマイクロチャネル構造とすることによって、導電性流体の熱輸送効率を高めることができ、半導体集積回路の冷却効率を高めることができる。
The flow path may have a microchannel structure, and a plurality of flow paths may be formed adjacent to each other in the magnetic field application direction.
By using a microchannel structure for the flow path, the heat transport efficiency of the conductive fluid can be increased, and the cooling efficiency of the semiconductor integrated circuit can be increased.
半導体集積回路の温度を検出する温度検出部と、温度検出部によって検出された半導体集積回路の温度にもとづいて、冷却装置の冷却能力を制御する冷却制御部と、をさらに備えてもよい。
半導体集積回路の温度に応じて冷却装置を制御し、導電性流体の温度を調節することにより、安定した冷却を行うことができる。
You may further provide the temperature detection part which detects the temperature of a semiconductor integrated circuit, and the cooling control part which controls the cooling capacity of a cooling device based on the temperature of the semiconductor integrated circuit detected by the temperature detection part.
Stable cooling can be performed by controlling the cooling device according to the temperature of the semiconductor integrated circuit and adjusting the temperature of the conductive fluid.
陽極および陰極はそれぞれ、半導体集積回路の電源電圧端子および固定電圧端子に接続されてもよい。 The anode and the cathode may be connected to the power supply voltage terminal and the fixed voltage terminal of the semiconductor integrated circuit, respectively.
陽極および陰極はそれぞれ、半導体集積回路と平行に設けられており、陽極は、流路の半導体集積回路側に設けられており、陰極は、流路の半導体集積回路と反対側に設けられてもよい。
陽極および陰極をこのような位置関係とすることによって、導電性流体内を陰極から陽極に向かって流れる電子にも熱輸送させることができ、冷却効率をさらに高めることができる。
Each of the anode and the cathode is provided in parallel with the semiconductor integrated circuit, the anode is provided on the semiconductor integrated circuit side of the flow path, and the cathode is provided on the side of the flow path opposite to the semiconductor integrated circuit. Good.
By setting the anode and the cathode in such a positional relationship, the electrons flowing from the cathode toward the anode in the conductive fluid can also be thermally transported, and the cooling efficiency can be further improved.
基体は、シリコンによって形成されてもよい。
熱伝導率が高く、加工や電極形成が容易なシリコンを基体の材料として選択することによって、一般的な半導体製造工程を利用して電力供給装置を製造することができる。
The substrate may be formed of silicon.
By selecting silicon having a high thermal conductivity and easy processing and electrode formation as a base material, a power supply device can be manufactured using a general semiconductor manufacturing process.
基体は、半導体集積回路が形成されるシリコン基板内に、半導体集積回路と一体に形成されてもよい。
基体を半導体集積回路と一体に形成することによって、半導体集積回路と基体との間の接着面におけるヒートロスが減少し、より効率的な冷却を行うことができる。
The base may be formed integrally with the semiconductor integrated circuit in a silicon substrate on which the semiconductor integrated circuit is formed.
By forming the base body integrally with the semiconductor integrated circuit, heat loss at the adhesive surface between the semiconductor integrated circuit and the base body is reduced, and more efficient cooling can be performed.
導電性流体は、半導体集積回路またはその周辺装置の動作温度近傍に沸点を有する液体を含んでもよい。電力供給システムは、半導体集積回路またはその周辺装置から発せられる熱エネルギーを、液体を気化させるエネルギーとして利用することにより、導電性流体を流路に流通せしめるための運動エネルギーに変換する補助ポンプをさらに備えてもよい。
導電性流体を基体内の流路を通過する際に膨張させ、Rankineサイクル(蒸気サイクル)などを利用した補助ポンプを用いることによって、半導体集積回路や、周辺の電源装置などを熱源とし、これらの熱源を導電性流体の動力として利用することができる。
The conductive fluid may include a liquid having a boiling point near the operating temperature of the semiconductor integrated circuit or its peripheral devices. The power supply system further includes an auxiliary pump that converts heat energy generated from the semiconductor integrated circuit or its peripheral device into energy for vaporizing the liquid, thereby converting the conductive fluid into kinetic energy for flowing through the flow path. You may prepare.
The conductive fluid is expanded when passing through the flow path in the substrate, and an auxiliary pump using a Rankine cycle (vapor cycle) is used as a heat source for a semiconductor integrated circuit, a peripheral power supply device, etc. A heat source can be used as power for the conductive fluid.
陽極および陰極間に発生する起電力により、半導体集積回路以外の負荷回路を駆動してもよい。
冷却対象となる半導体集積回路に代えて、あるいは半導体集積回路とともに、他の負荷回路を陰極および陽極間に発生する起電力によって駆動することができる。
A load circuit other than the semiconductor integrated circuit may be driven by an electromotive force generated between the anode and the cathode.
Instead of the semiconductor integrated circuit to be cooled or together with the semiconductor integrated circuit, another load circuit can be driven by an electromotive force generated between the cathode and the anode.
半導体集積回路を駆動するための駆動電圧を出力する電源をさらに備えてもよい。半導体集積回路を、電源から出力される駆動電圧または陽極および陰極間に発生する起電力のいずれかによって駆動してもよい。 You may further provide the power supply which outputs the drive voltage for driving a semiconductor integrated circuit. The semiconductor integrated circuit may be driven by either a driving voltage output from a power supply or an electromotive force generated between the anode and the cathode.
陽極および陰極間に発生する起電力が所定のしきい値より低いとき、電源から出力される駆動電圧によって半導体集積回路を駆動してもよい。
陽極および陰極間に発生する起電力として半導体集積回路を駆動するために必要な電圧が得られない場合などに、電源に切り替えることによって安定して半導体集積回路を駆動することができる。
When the electromotive force generated between the anode and the cathode is lower than a predetermined threshold value, the semiconductor integrated circuit may be driven by a driving voltage output from a power source.
When a voltage necessary for driving the semiconductor integrated circuit cannot be obtained as an electromotive force generated between the anode and the cathode, the semiconductor integrated circuit can be stably driven by switching to the power source.
陽極および陰極間に発生する起電力を検出し、起電力が所定の電圧値に近づくように導電性流体の速度を制御する制御部をさらに備えてもよい。
陽極および陰極間に発生する起電力は、導電性流体の速度に依存するため、起電力にもとづいて速度を帰還制御することによって安定した起電力を得ることができる。
You may further provide the control part which detects the electromotive force which generate | occur | produces between an anode and a cathode, and controls the speed | rate of a conductive fluid so that an electromotive force may approach a predetermined voltage value.
Since the electromotive force generated between the anode and the cathode depends on the speed of the conductive fluid, a stable electromotive force can be obtained by feedback-controlling the speed based on the electromotive force.
半導体集積回路の温度を検出する温度検出部と、温度検出部によって検出された半導体集積回路の温度にもとづいて、導電性流体の速度を制御する制御部と、をさらに備え、制御部は、半導体集積回路の温度が低い程、導電性流体の速度を低下させてもよい。
この場合、半導体集積回路の温度が低いときには、冷却能力を低下させることによりシステム全体の消費電力を低減することができる。
A temperature detection unit that detects the temperature of the semiconductor integrated circuit; and a control unit that controls the speed of the conductive fluid based on the temperature of the semiconductor integrated circuit detected by the temperature detection unit. The lower the temperature of the integrated circuit, the lower the speed of the conductive fluid.
In this case, when the temperature of the semiconductor integrated circuit is low, the power consumption of the entire system can be reduced by reducing the cooling capacity.
本発明の別の態様は、電力供給装置である。この電力供給装置は、導電性流体が流通する流路が穿設された基体と、流路を挟むように設けられた陽極と陰極と、を備える。この電力供給装置は、導電性流体と当該導電性流体に印加される磁界との相互作用によって陽極と陰極間に発生する起電力によって駆動対象の半導体集積回路を駆動する。 Another aspect of the present invention is a power supply apparatus. This power supply apparatus includes a base body in which a flow path through which a conductive fluid flows is formed, and an anode and a cathode provided so as to sandwich the flow path. This power supply device drives a semiconductor integrated circuit to be driven by an electromotive force generated between an anode and a cathode by an interaction between a conductive fluid and a magnetic field applied to the conductive fluid.
この態様によれば、基体内部の流路において、導電性流体と磁界が相互作用し、ファラデーの電磁誘導の法則にもとづき陰極と陽極間には起電力が発生し、この起電力によって半導体集積回路を駆動することができる。 According to this aspect, the conductive fluid and the magnetic field interact in the flow path inside the substrate, and an electromotive force is generated between the cathode and the anode based on Faraday's law of electromagnetic induction. Can be driven.
電力供給装置は、導電性流体に磁界を印加する磁石をさらに備えてもよい。
流路は、マイクロチャネル構造を有し、磁界の印加方向に隣接して複数穿設されてもよい。
The power supply apparatus may further include a magnet that applies a magnetic field to the conductive fluid.
The flow path may have a microchannel structure, and a plurality of flow paths may be formed adjacent to each other in the magnetic field application direction.
本発明のさらに別の態様は、電子回路駆動方法である。この電子回路駆動方法は、電子回路を冷却するための冷却媒体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、該電気エネルギーによって電子回路を駆動する。
この態様によれば、冷却媒体が持つ運動エネルギーの一部を電気エネルギーに変換することによって、電子回路の冷却と電力供給を同時に行うことができる。
Yet another embodiment of the present invention is an electronic circuit driving method. In this electronic circuit driving method, the kinetic energy of a cooling medium for cooling the electronic circuit is converted into electric energy, and the electronic circuit is driven by the electric energy.
According to this aspect, by converting a part of the kinetic energy of the cooling medium into electric energy, it is possible to simultaneously cool the electronic circuit and supply power.
本発明のさらに別の態様もまた、電子回路駆動方法である。この電子回路駆動方法は、駆動対象である電子回路を冷却するための導電性流体と導電性流体に印加された磁界との相互作用によって生じる起電力によって冷却対象となる電子回路を駆動する。
この態様によれば、冷却媒体として導電性流体を選択し、この導電性流体に磁界を印加することによって、ファラデーの電磁誘導の法則にもとづき導電性流体の運動エネルギーが電気エネルギーに変換され、起電力が生じる。この起電力を利用することによって冷却対象となる電子回路を駆動することができる。
Yet another embodiment of the present invention is also an electronic circuit driving method. In this electronic circuit driving method, an electronic circuit to be cooled is driven by an electromotive force generated by an interaction between a conductive fluid for cooling the electronic circuit to be driven and a magnetic field applied to the conductive fluid.
According to this aspect, by selecting a conductive fluid as the cooling medium and applying a magnetic field to the conductive fluid, the kinetic energy of the conductive fluid is converted into electric energy based on Faraday's law of electromagnetic induction, and Electric power is generated. By utilizing this electromotive force, the electronic circuit to be cooled can be driven.
本発明のさらに別の態様もまた、電子回路駆動方法である。この電子回路駆動方法は、駆動対象である電子回路を冷却するために循環される導電性流体と導電性流体に印加された磁界との相互作用によって生じる起電力を、電子回路を駆動する主電源から供給される電力を補う補助電源として利用する。
この態様によれば、主電源をあらかじめ用意しておき、上述の起電力を補助電源として利用することで、回路の安定性を向上することができる。
Yet another embodiment of the present invention is also an electronic circuit driving method. In this electronic circuit driving method, an electromotive force generated by the interaction between a conductive fluid circulated to cool an electronic circuit to be driven and a magnetic field applied to the conductive fluid is used as a main power source for driving the electronic circuit. It is used as an auxiliary power source to supplement the power supplied from
According to this aspect, the stability of the circuit can be improved by preparing the main power source in advance and using the above-described electromotive force as the auxiliary power source.
以下、これらの発明の態様について、実施の形態をもとに詳細に説明する。 Hereinafter, these aspects of the invention will be described in detail based on the embodiments.
本発明の実施の形態に係る電力供給システムは、半導体集積回路を冷却し、同時に半導体集積回路に対して駆動電力を供給するものである。
図1は、実施の形態に係る電力供給システム100の全体構成を示す。電力供給システム100は、起電冷却ヘッド10、ポンプ14、輸送管16、冷却装置18を含む。
A power supply system according to an embodiment of the present invention cools a semiconductor integrated circuit and simultaneously supplies driving power to the semiconductor integrated circuit.
FIG. 1 shows an overall configuration of a
起電冷却ヘッド10は、半導体集積回路12と密着して固定されており、半導体集積回路12から熱量Qを奪うとともに、起電力Esを供給する。この起電冷却ヘッド10は、後述するように、内部に冷却媒体が流し込めるよう流路が穿設された基体を備えており、両端で輸送管16と接続されている。冷却媒体としては、後述のように導電性流体を選択する。この起電冷却ヘッド10は、半導体集積回路12に電力を供給する電力供給装置として機能する。
The
ポンプ14の駆動により、輸送管16および起電冷却ヘッド10の基体内部の流路に冷却媒体が循環される。起電冷却ヘッド10において半導体集積回路12から奪い取った熱量Qにより温度が上昇した冷却媒体は、冷却装置18で冷却される。冷却装置18は、たとえばヒートシンク、空冷ファン、ペルチェ素子、あるいはこれらの組み合わせなどによって構成され、輸送管16中を循環する冷却媒体から熱量Q’を奪う。このポンプ14は、機械的に流体を循環させるポンプで構成すればよい。
By driving the
このようにして、本実施の形態に係る電力供給システム100は、半導体集積回路12に固定された起電冷却ヘッド10に冷却媒体を循環させることによって半導体集積回路12を冷却する。
As described above, the
図2は、起電冷却ヘッド10の断面構成および半導体集積回路12との接続状態を示す。
半導体集積回路12は、BGA(Ball Grid Array)構造のフリップチップとなっており、プリント基板20にはんだボール22を介して接続されている。
起電冷却ヘッド10は、半導体集積回路12の裏面を覆うようにして密着されている。半導体集積回路12は、その裏面に電源電圧端子Vddと接地端子GNDを備えており、起電冷却ヘッド10において発生する起電力Esによって駆動される。
FIG. 2 shows a cross-sectional configuration of the
The semiconductor integrated
The
起電冷却ヘッド10は、基体40、N極磁石50、S極磁石52を含む。図3は、起電冷却ヘッド10を上方からみた平面図である。
図2に示すように基体40内部には流路42が複数マイクロチャネルとして穿設されており、輸送管16から供給される冷却媒体が紙面の手前から奥に向かって流れている。この流路42は、半導体集積回路12の発熱箇所を覆うようにして設けられている。この流路42の内部には、図3に示す向きで冷却媒体が流通する。
The
As shown in FIG. 2,
N極磁石50、S極磁石52は、この冷却媒体の流通方向、すなわち流路の穿設方向に対して垂直に磁界を印加するために、起電冷却ヘッド10を挟むようにして設けられている。このN極磁石50およびS極磁石52によって、紙面左から右方向に向かって磁界Bが発生する。これらの磁石は、永久磁石を用いてもよい。
The N-
図2に戻る。基体40に複数設けられた流路42の内壁には、それぞれ磁界Bの印加方向と平行な対向する2面に、流路を挟むようにして陽極44および陰極46がそれぞれ設けられている。流路42の内壁上面に設けられた陽極44同士、内壁下面に設けられた陰極46同士はそれぞれ電気的に接続されて、半導体集積回路12の電源電圧端子Vddおよび接地端子GNDに接続されている。
Returning to FIG. A plurality of
基体40は、熱伝導性の良い材料で構成することが望ましい。また、基体40に穿設される流路42の内壁に設けられる陽極および陰極の端子は、銅などの金属材料で構成することになる。したがって、基体40の材料として、半導体、特にシリコンを用いた場合、シリコン半導体製造プロセスを用いて基体40を製造することができる。このようなマイクロチャネルを製造し、電極を形成する工程については、MEMS(Micro Electro Mechanical System)などに関連する公知の技術を用いることができるため、ここでは詳述しない。
The
基体40と半導体集積回路12との接続はいくつかの形態が考えられる。基体40と半導体集積回路12を別々に製造した場合、図2に示すように、はんだバンプなどで物理的に接続する、あるいは、基体40の電極と半導体集積回路12の電極とを圧力を加えて接触させる、あるいはワイヤボンドなどによって接続してもよい。
Several forms of connection between the
図4は、図1の電力供給システムの変形例を示す図である。基体40の材料としてシリコンを選択する場合には、図4に破線で示すように、半導体集積回路12と基体40とを同一のシリコンチップ200上に一体に形成してもよい。この場合、半導体集積回路12と基体40との間の接着面が存在せず、図1の場合と比べてヒートロスが減少することになるため、より効率的な冷却を行うことができる。
FIG. 4 is a diagram showing a modification of the power supply system of FIG. When silicon is selected as the material of the
以上のように構成された電力供給システム100の動作について図5をもとに説明する。
流路42および輸送管16には、冷却媒体として導電性流体が充填されている。この導電性流体としては液体金属、たとえば水銀、インジウム合金、ゲルマニウム合金、ビスマス系合金、NaKなどが挙げられる。この導電性流体は、半導体集積回路12から発生した熱を輸送すると同時に、磁界との相互作用によって起電力を発生させる。
図5は、流路42における導電性流体と磁界との相互作用の様子を示す図である。
The operation of the
The
FIG. 5 is a diagram illustrating a state of interaction between the conductive fluid and the magnetic field in the
流路42には、導電性流体がx軸方向に向かって速度uで流れている。この流路42には、N極磁石50、S極磁石52によってz軸と反対向きに磁束密度Bで磁界が印加されている。図5のように磁界中に導電性流体を流すと、ファラデーの電磁誘導の法則に従い、流体の速度uおよび磁束密度Bに垂直方向に起電力Es=u×Bが発生する。この起電力Esは陽極44、陰極46から取り出すことができ、半導体集積回路12の駆動電圧として供給される。
In the
この電力供給システム100において、ポンプ14によって導電性流体を駆動するために必要な電力などは、以下のように見積もることができる。
マイクロチャネルを構成する流路42に流れる導電性流体によって輸送可能な熱量Q[W]は、Q=Cp×g’×ΔT=ρ×Cp×V’×ΔTで表される。ここで、各定数はそれぞれ、導電性流体の熱容量Cp[J/kg/K]、質量流量g[kg]、密度ρ[m3/kg]、体積流量V[m3/s]、速度u[m/s]、マイクロチャネル通過前後の温度差ΔT[K]を表している。また、「’」はある物理量を時間微分することを意味する。したがって、導電性流体によって半導体集積回路12から発生する熱量Qchipを輸送するためには、体積流量Vの時間微分V’として、V’≧Qchip/(ρ×Cp×ΔT)が必要とされる。
In the
The amount of heat Q [W] that can be transported by the conductive fluid flowing in the
マイクロチャネルの本数をN、チャネルあたりの断面積Achとすると、導電性流体の総断面積はN×Achで与えられる。マイクロチャネル内を流れる導電性流体の速度uは、u=V’/(N×Ach)で与えられるため、u≧Qchip/(N×Ach×ρ×Cp×ΔT)とすることによって、半導体集積回路12から発生する熱量を輸送することが可能となる。
When the number of microchannels is N and the cross-sectional area per channel is Ach, the total cross-sectional area of the conductive fluid is given by N × Ach. Since the velocity u of the conductive fluid flowing in the microchannel is given by u = V ′ / (N × Ach), by setting u ≧ Qchip / (N × Ach × ρ × Cp × ΔT), the semiconductor integration The amount of heat generated from the
また、マイクロチャネルの流動抵抗ΔPは、ΔP=ρ×u2/2、で与えられるため、マイクロチャネル内部に速度uで導電性流体を流す場合、導電性流体の駆動パワーWch[W]は、Wch=N×Ach×u×ΔPだけ必要とされる。 Furthermore, flow resistance [Delta] P of the microchannel, because given in ΔP = ρ × u 2/2 ,, when flowing conductive fluid at a velocity u in the interior microchannel, the driving power Wch of conductive fluid [W] is Only Wch = N × Ach × u × ΔP is required.
一方、起電冷却ヘッド10における起電力Es[V]は、磁束B[T]と導電性流体の速度uに比例し、E=u×Bで与えられる。陽極44および陰極46間の導電性流体の内部電気抵抗Rint[Ω]は、流体の電気抵抗率σ[Ω・m]、陽極44−陰極46間距離d[m]、電極面積S[m2]として、Rint=σ×d/Sとなる。よって電力供給対象となる半導体集積回路12の内部抵抗をRext[Ω]とおくならば、半導体集積回路12に流れる電流Iは、I=Es/(Rin+Rext)となる。その結果、半導体集積回路12における消費電力は、Pchip=Es2/(Rint+Rext)となる。
したがって、ポンプ14によって導電性流体に供給すべき電力Winは、起電力として半導体集積回路12に供給される電力と、マイクロチャネル内を流通させるために必要な電力の和となるため、半導体集積回路12の効率ηを考慮して、Win≧Wch+η×Pchip=N×Ach×ρ/2×u3+η×B2/(Rint+Rext)×u2となる。
On the other hand, the electromotive force Es [V] in the
Therefore, the power Win to be supplied to the conductive fluid by the
導電性流体として水銀を用いた場合の設計例を以下に示す。半導体集積回路12から発生する熱量をQとし、ΔT=28°Cで輸送する場合を考えると、必要な質量流量は2.13g/s、体積流量で2.63cc/sとなる。マイクロチャネルを構成する流路の本数を70本、各流路の断面を70μm×70μm、長さを0.8cmとすると、各流路の平均速度としてu=0.94m/sが必要とされる。
このときのマイクロチャネル内部の流動抵抗は約2MPaとなる。これより、導電性流体の駆動電力は、Wch=4.9Wとなる。
A design example when mercury is used as the conductive fluid is shown below. Considering the case where the amount of heat generated from the semiconductor integrated
At this time, the flow resistance inside the microchannel is about 2 MPa. Thus, the driving power of the conductive fluid is Wch = 4.9W.
磁束としてB=1.1Tの磁束を速度u=0.94m/sの導電性流体に印加した場合に得られる起電力Esは、Es=1.1Vとなる。電気抵抗値Rintを0.1mΩ、チップ側の内部抵抗Rext=1Ωとすると、半導体集積回路12に対して合計70Wの電力供給を行うことができる。
An electromotive force Es obtained when a magnetic flux of B = 1.1 T is applied as a magnetic flux to a conductive fluid having a velocity u = 0.94 m / s is Es = 1.1V. When the electrical resistance value Rint is 0.1 mΩ and the chip-side internal resistance Rext = 1Ω, a total of 70 W of power can be supplied to the semiconductor integrated
導電性流体の速度uは、起電によるエネルギーが失われ減速力F=JBを受けて減速する。したがって導電性流体を駆動するポンプ14は、この減速力を打ち消すように導電性流体を輸送管16に導電性流体を流し込む必要がある。すなわち、ポンプ14によってWin=Wchip+Wch=74.9Wの電力を導電性流体に対して供給すればよい。実際には、上記電力Winに加えて、輸送管16内に導電性流体を流通させるための電力が必要となる。
The speed u of the conductive fluid is decelerated in response to the deceleration force F = JB due to loss of energy due to electromotive force. Therefore, the
以上のように、本実施の形態に係る電力供給システム100によれば、起電冷却ヘッド10によって半導体集積回路12から熱を奪うと同時に、冷却媒体として導電性流体を用いることによって起電冷却ヘッド10において起電力Esを発生させて半導体集積回路12に電力供給を行うことができる。
As described above, according to the
また、電力供給を起電冷却ヘッド10の半導体集積回路12側に設けられた電極Vdd、GNDを介して行うが、これらの電極は、他の電極からの制約を受けないため、その面積を従来のBGAパッケージ構造に比べて広くすることが可能となり、従来のBGAパッケージ構造での課題であった1端子あたりの電流容量の問題などを解決することが可能となる。
In addition, power is supplied through the electrodes Vdd and GND provided on the semiconductor integrated
この電力供給システム100では、半導体集積回路12に対する電力供給に従来のような配線を用いる必要がないため、断線、短絡などの危険を低減することができる。また、配線による電力供給での課題であったマイグレーションの問題なども解消することができる。
In this
以下、この電力供給システム100を基本として、回路をより安定に動作させ、あるいは効率的な冷却を行う技術を付加した変形例について説明する。
Hereinafter, based on the
図6は、本実施の形態に係る電力供給システム100の第1の変形例を示す。
半導体集積回路12の発熱量Qは、回路の動作状態によって大きく変化する。したがって、冷却装置18における導電性流体の冷却能力を、半導体集積回路12の温度Tをモニタしながら、冷却装置18における冷却能力を制御してもよい。
図6は、半導体集積回路12の温度に応じて冷却装置18の冷却能力を制御する電力供給システム100aの構成例を示す。この電力供給システム100aは、起電冷却ヘッド10、ポンプ14、輸送管16、冷却装置18、温度検出部60、冷却制御部62を含む。以下、電力供給システム100の変形例について、図1から図3と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
FIG. 6 shows a first modification of the
The calorific value Q of the semiconductor integrated
FIG. 6 shows a configuration example of the
温度検出部60は、熱電対や赤外線センサ、あるいはその他の温度検出手段によって、半導体集積回路12の温度Tを検知する。この温度検出部60は、冷却装置18に対して半導体集積回路12の温度Tに対応した検出信号Vtを出力する。
冷却制御部62は、検出信号Vtにもとづいて冷却装置18の冷却能力を制御するための制御信号Vcntを生成して出力する。冷却制御部62における冷却能力の制御方法としては、検出信号Vtが所定のしきい値以上のとき、すなわち半導体集積回路12の温度Tが所定のしきい値以上のときに、その冷却能力を高めてもよいし、半導体集積回路12の温度Tが一定となるように冷却能力を帰還制御してもよい。冷却装置18が空冷ファンによって構成される場合には、制御信号Vcntによって空冷ファンの回転数を変化させればよいし、ペルチェ素子により構成される場合には、素子に印加する電圧を変化させることによって冷却能力を制御することができる。
The
The cooling
このように半導体集積回路12の温度Tに応じて冷却装置18の冷却能力を制御することによって、安定した冷却を行い、半導体集積回路12を安定に動作させることができる。また、半導体集積回路12の発熱量が小さい場合には、冷却装置18の駆動能力を低下させることによって、冷却装置18における消費電力を低減することができる。
In this way, by controlling the cooling capacity of the
図7は、電力供給システムの第2の変形例を示す。図7の電力供給システム100bは、起電力検出部64、切り替えスイッチSW、電源66を含む。電力供給システム100bにおいて、ポンプ14によって輸送管16内の導電性流体を駆動開始した直後など、導電性流体の速度uが必要な値に達するまでの間、起電冷却ヘッド10から得られる起電力Esとして、半導体集積回路12を安定に動作させるために必要な電圧が得られない場合も想定される。そこで図7の電力供給システム100bは、起電冷却ヘッド10から得られる起電力Esがしきい値電圧よりも低いときに、半導体集積回路12への電力供給源を電源66へと切り替える。
FIG. 7 shows a second modification of the power supply system. The
起電力検出部64は、起電冷却ヘッド10から得られる起電力Esを検出し、所定のしきい値電圧Vthと比較する。このしきい値電圧Vthは、半導体集積回路12を安定に動作させるために必要な電圧より高く設定しておく。起電力検出部64からはスイッチSWに対して切り替え信号Vswが出力されている。
起電力検出部64は、Es>Vthのとき、スイッチSWを起電冷却ヘッド10側にオンし、Es<Vthのとき、スイッチSWを電源66側にオンする。電源66から出力される電圧Vdd’は、しきい値電圧Vthよりも高く設定しておく。
The
The electromotive
このように構成された電力供給システム100bでは、半導体集積回路12に印加される駆動電圧が所定のしきい値電圧Vthよりも低くなることがないため、回路をより安定に動作させることができる。
In the
図8は、電力供給システムの第3の変形例を示す。この電力供給システム100cは、ポンプ14による導電性流体の速度uを調節することによって、起電冷却ヘッド10における起電力Esを安定化させる。
この電力供給システム100cは、図1の電力供給システム100に加えて、ポンプ制御部70を備えている。ポンプ制御部70は、演算増幅器72と、駆動電圧生成部74を含む。
FIG. 8 shows a third modification of the power supply system. The
The
演算増幅器72の非反転入力端子には基準電圧Vrefが入力されており、反転入力端子には半導体集積回路12に供給される起電力Esが入力されている。演算増幅器72から出力される誤差電圧Verrは、ポンプ14に入力されている。
The reference voltage Vref is input to the non-inverting input terminal of the
駆動電圧生成部74は、演算増幅器72から出力される誤差電圧Verrにもとづいてポンプ14の駆動能力を制御する。ポンプ14の駆動能力によって、導電性流体の速度uが制御されることになる。演算増幅器72においては、反転入力端子および非反転入力端子に入力される2つの電圧が等しくなるように誤差電圧Verrが帰還制御され、導電性流体の速度uが調節される。起電力Esは、導電性流体の速度uに比例するため、Es=Vrefとなるように起電力Esを安定化することができる。
The drive
一般的に半導体集積回路12に供給される電圧を安定化する場合には、リニアレギュレータなどを用いることになるが、この電力供給システム100においては、リニアレギュレータを用いなくても、起電力Esを検出し、導電性流体の速度uを帰還制御することによって、起電力Esを所望の基準電圧Vrefに安定化することができ、半導体集積回路12に対して安定した電圧を供給することができる。
In general, when the voltage supplied to the semiconductor integrated
図9は、電力供給システムの第4の変形例を示す。図9の電力供給システム100dは、図8の電力供給システム100cと同様に、ポンプ14の駆動能力を制御するポンプ制御部70を備えているが、半導体集積回路12の温度Tにもとづいてポンプ14の駆動能力を制御する点で図8とは異なっている。
FIG. 9 shows a fourth modification of the power supply system. The
電力供給システム100dにおいて、ポンプ制御部70は、温度検出部60から出力される電圧Vtが所定の電圧以上のとき、すなわち、半導体集積回路12が所定のしきい値温度を超えたときにポンプ14の駆動能力を高めて起電冷却ヘッド10内の導電性流体の速度uを上げてもよい。あるいは、温度検出部60から出力される電圧Vtが所定の電圧に近づくように、すなわち、半導体集積回路12の温度Tが所定の温度に近づくようにポンプ14を帰還制御してもよい。
このように電力供給システムを構成することによって、半導体集積回路12の温度Tが所定の温度よりも高くなるのを防止することができるため、半導体集積回路12の熱暴走などを抑え、回路を安定に動作させることができる。さらに、半導体集積回路12における発熱量が少なく、半導体集積回路12の温度Tが低いときには、ポンプ14の駆動能力を落とすことによってポンプ14での消費電力を低減することが可能となるため装置全体の消費電力が低減されることになる。
In the
By configuring the power supply system in this way, it is possible to prevent the temperature T of the semiconductor integrated
電力供給システム100およびその変形例において、ポンプ14は、MHD(Magneto Hydro Dynamics)ポンプとして知られるポンプを用いても良い。本実施の形態に係る電力供給システム100では、冷却媒体として導電性流体を用いているため、この導電性流体の流れる方向と垂直に磁界を印加しておき、磁界と流れ方向に垂直に電界を印加することで、導電性流体がローレンツ力を受けて加速される。このMHDポンプの原理は、図5に示す発電機と背反する特性を利用したものである。このMHDポンプによれば、導電性流体に印加した電界によって加速度、すなわち速度を変化させることができ、機械的なポンプに比べてコンパクトに設計することが可能となる。
In the
冷却媒体としては、導電性流体に水やFCなどの常温よりやや高い程度で気化する液体を混入しても良い。さらに、起電冷却ヘッド10の付近に補助ポンプを設置する。冷却媒体は、起電冷却ヘッド10内の流路42を通過する際に、半導体集積回路12から熱を奪う。この奪った熱によって冷却媒体に混入された液体は気化する。この液体の気化によって冷却媒体は膨張するため、補助ポンプによって熱エネルギーを運動エネルギーに変換して導電性流体を流路42に流通させることができる。こうした補助ポンプとしては、Rankineサイクルを利用した熱エンジンなどを利用することもできる。また、この補助ポンプの動力源となる熱源は、半導体集積回路12に限る必要はなく、半導体集積回路12が搭載されるセットの電源による発熱などを利用しても良い。
As the cooling medium, a liquid that vaporizes to a slightly higher degree than room temperature, such as water or FC, may be mixed in the conductive fluid. Further, an auxiliary pump is installed in the vicinity of the
上記実施の形態およびその変形例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The above embodiment and its modifications are exemplifications, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to the combinations of the respective components and processing processes, and such modifications are also within the scope of the present invention. It is understood.
たとえば、第1の変形例から第4の変形例に用いた技術は任意に組み合わせることが可能である。
第1の変形例および第4の変形例に用いられる技術を組み合わせる場合には、温度検出部を共通としてより安定な冷却動作を行うことができる。同様に、第2の変形例と第3の変形例に用いられる技術を組み合わせる場合には、起電力検出部64を共通とすることができ、半導体集積回路12に対する電力供給をさらに安定化することができる。
さらに、第1の変形例と第3の変形例を組み合わせた場合には、冷却装置18による冷却能力を調節して半導体集積回路12の温度Tを制御しつつ、ポンプ14により導電性流体の速度uを調節して起電冷却ヘッド10における起電力Esを安定に発生させることができる。
For example, the techniques used in the first to fourth modifications can be arbitrarily combined.
When the techniques used in the first modification and the fourth modification are combined, a more stable cooling operation can be performed by using a common temperature detection unit. Similarly, when the techniques used in the second modification and the third modification are combined, the electromotive
Further, when the first modification and the third modification are combined, the speed of the conductive fluid is controlled by the
100 電力供給システム、 10 起電冷却ヘッド、 12 半導体集積回路、 14 ポンプ、 16 輸送管、 18 冷却装置、 42 流路、 44 陽極、 46 陰極、 40 基体、 50 N極磁石、 52 S極磁石、 60 温度検出部、 62 冷却制御部、 64 起電力検出部、 70 ポンプ制御部、 72 演算増幅器、 74 駆動電圧生成部。
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記基体に穿設された流路に導電性流体を流通せしめるポンプと、
前記導電性流体の流通方向に対して垂直に磁界を印加する磁石と、
前記磁界の印加方向と平行な対向する2面に、前記流路を挟むように設けられた陽極と陰極と、
を備え、
駆動対象の半導体集積回路を、前記陽極と前記陰極間に発生する起電力によって駆動するとともに、前記導電性流体を冷却媒体として前記半導体集積回路を冷却し、
前記陽極および前記陰極はそれぞれ、前記半導体集積回路と平行に設けられており、前記陽極は、前記流路の前記半導体集積回路側に設けられており、前記陰極は、前記流路の前記半導体集積回路と反対側に設けられたことを特徴とする電力供給システム。 A base body in which a flow path is formed;
A pump that circulates a conductive fluid in a flow path drilled in the base;
A magnet for applying a magnetic field perpendicular to the flow direction of the conductive fluid;
An anode and a cathode provided so as to sandwich the flow path between two opposing surfaces parallel to the application direction of the magnetic field;
With
The semiconductor integrated circuit to be driven is driven by an electromotive force generated between the anode and the cathode, and the semiconductor integrated circuit is cooled using the conductive fluid as a cooling medium,
The anode and the cathode are each provided in parallel with the semiconductor integrated circuit, the anode is provided on the semiconductor integrated circuit side of the flow path, and the cathode is the semiconductor integrated circuit of the flow path. A power supply system provided on the opposite side of the circuit .
前記流路は前記半導体集積回路の発熱箇所に近接する領域に穿設されており、
前記導電性流体を冷却する冷却装置をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の電力供給システム。 The base is fixed in close contact with the semiconductor integrated circuit;
The flow path is perforated in a region close to a heat generation point of the semiconductor integrated circuit,
The power supply system according to claim 1, further comprising a cooling device that cools the conductive fluid.
前記温度検出部によって検出された前記半導体集積回路の温度にもとづいて、前記冷却装置の冷却能力を制御する冷却制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項2に記載の電力供給システム。 A temperature detector for detecting the temperature of the semiconductor integrated circuit;
A cooling controller that controls the cooling capacity of the cooling device based on the temperature of the semiconductor integrated circuit detected by the temperature detector;
The power supply system according to claim 2, further comprising:
前記半導体集積回路またはその周辺装置から発せられる熱エネルギーを、前記液体を気化させるエネルギーとして利用することにより、前記導電性流体を前記流路に流通せしめるための運動エネルギーに変換する補助ポンプをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の電力供給システム。 The conductive fluid includes a liquid having a boiling point near the operating temperature of the semiconductor integrated circuit or its peripheral device,
The apparatus further includes an auxiliary pump that converts thermal energy generated from the semiconductor integrated circuit or its peripheral device into energy for vaporizing the liquid, thereby converting the conductive fluid into kinetic energy for flowing through the flow path. The power supply system according to claim 1.
前記半導体集積回路を、前記電源から出力される駆動電圧または前記陽極および前記陰極間に発生する起電力のいずれかによって駆動することを特徴とする請求項1に記載の電力供給システム。 A power supply for outputting a driving voltage for driving the semiconductor integrated circuit;
The power supply system according to claim 1, wherein the semiconductor integrated circuit is driven by either a drive voltage output from the power supply or an electromotive force generated between the anode and the cathode.
前記温度検出部によって検出された前記半導体集積回路の温度にもとづいて、前記導電性流体の速度を制御する制御部と、
をさらに備え、前記制御部は、前記半導体集積回路の温度が低い程、前記導電性流体の速度を低下させることを特徴とする請求項1に記載の電力供給システム。 A temperature detector for detecting the temperature of the semiconductor integrated circuit;
A control unit for controlling the speed of the conductive fluid based on the temperature of the semiconductor integrated circuit detected by the temperature detection unit;
The power supply system according to claim 1, further comprising: the controller that decreases the speed of the conductive fluid as the temperature of the semiconductor integrated circuit is lower.
前記流路を挟むように設けられた陽極と陰極と、を備え、
前記導電性流体と当該導電性流体に印加される磁界との相互作用によって前記陽極と前記陰極間に発生する起電力によって駆動対象の半導体集積回路を駆動するとともに、前記導電性流体を冷却媒体として前記半導体集積回路を冷却し、
前記陽極および前記陰極はそれぞれ、前記半導体集積回路と平行に設けられており、前記陽極は、前記流路の前記半導体集積回路側に設けられており、前記陰極は、前記流路の前記半導体集積回路と反対側に設けられたことを特徴とする電力供給装置。 A base body with a flow path through which a conductive fluid flows; and
An anode and a cathode provided to sandwich the flow path,
The semiconductor integrated circuit to be driven is driven by an electromotive force generated between the anode and the cathode by the interaction between the conductive fluid and a magnetic field applied to the conductive fluid, and the conductive fluid is used as a cooling medium. Cooling the semiconductor integrated circuit;
The anode and the cathode are each provided in parallel with the semiconductor integrated circuit, the anode is provided on the semiconductor integrated circuit side of the flow path, and the cathode is the semiconductor integrated circuit of the flow path. A power supply device provided on the opposite side of the circuit .
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